μModule Data Acquisition Solution atvieglo inženiertehniskos uzdevumus daudzveidīgam precīzu lietojumu kopumam

Datu iegūšanas sistēmas līmeņa izaicinājumi Sistēmas arhitekti un ķēdes līmeņa aparatūras dizaineri tērē ievērojamus pētniecības un izstrādes (P&A) resursus, lai izstrādātu augstas veiktspējas, diskrētus lineārus un precīzus signālu ķēdes blokus to gala lietojumam (piemēram, pārbaude un mērīšana, rūpnieciskā automatizācija, veselības aprūpe vai aviācija un aizsardzība), lai izmērītu un aizsargātu, kondicionētu un iegūtu, vai sintezētu un vadītu. Šajā rakstā uzmanība tiks pievērsta precīzas datu iegūšanas apakšsistēmai, kā parādīts 1. attēlā. 1. attēls. Augsta līmeņa datu ieguves sistēmas blokshēma. Elektronikas nozares dinamika strauji attīstās, un ir mazāk laika, lai izveidotu un prototipētu analogās shēmas, lai pārbaudītu to funkcionalitāti, jo P&A budžetu kontrole un laiks līdz tirgum (TTM) kļūst izaicinošs. Aparatūras dizaineri pieprasa uzlabotas precizitātes datu konvertēšanas veiktspēju un lielāku izturību sarežģītiem dizainiem, kas arvien samazinās, ņemot vērā termiskās un iespiedshēmas plates (PCB) blīvuma ierobežojumus. Neviendabīga integrācija, izmantojot sistēmas komplektā (SiP) tehnoloģiju, turpina virzīt galvenās tendences elektronikas nozarē, tostarp pāreju uz lielāku blīvumu, lielāku funkcionalitāti, uzlabotu veiktspēju un ilgāku vidējo laiku līdz kļūmei. Šis raksts parādīs, kā Analog Devices izmanto neviendabīgu integrāciju, lai mainītu precīzas konversijas nosacījumus un sniegtu risinājumus, kas būtiski ietekmē lietojumprogrammu. Sistēmu dizaineri saskaras ar tādiem loģistikas izaicinājumiem kā komponentu izvēle un dizaina optimizācija galīgajiem prototipiem un tehniskas problēmas, piemēram, ADC ievades vadīšana, ADC ieeju aizsardzība pret pārsprieguma notikumiem, sistēmas jaudas samazināšana un augstākas sistēmas caurlaidspējas sasniegšana ar mazjaudas mikrokontrolleriem un/vai digitālajiem izolatoriem . Pievēršot lielāku uzmanību sistēmas programmatūrai un lietojumprogrammām, lai diferencētu savu sistēmas risinājumu, oriģinālo iekārtu ražotāji piešķir vairāk resursu programmatūras izstrādei, nevis aparatūras izstrādei. Tā rezultātā palielinās spiediens uz aparatūras izstrādi, lai samazinātu dizaina atkārtojumus. Sistēmas dizaineriem, kas izstrādā datu iegūšanas signālu ķēdes, parasti ir nepieciešama augsta ieejas pretestība, lai nodrošinātu tiešu saskarni ar dažādiem sensoriem, kuriem varētu būt atšķirīgs kopējā režīma spriegums un vienpolāri vai bipolāri vienpusēji vai diferenciāli ievades signāli. Apskatīsim tipisku signālu ķēdi, kas ieviesta, izmantojot diskrētus komponentus, un sapratīsim dažus sistēmas izstrādātāja galvenos tehniskos sāpju punktus, kā parādīts 2. attēlā. Tiek parādīta precizitātes datu ieguves apakšsistēmas galvenā daļa, kur 20 V pp izeja mērinstrumentu pastiprinātājs tiek piemērots pilnībā diferenciāla pastiprinātāja (FDA) neinvertējošai ieejai. Šī FDA nodrošina nepieciešamo signāla kondicionēšanu, ieskaitot līmeņa maiņu, signāla vājināšanu un izejas svārstību iestatīšanu starp 0 V un 5 V ar 2.5 V kopēju režīmu, pretēji fāzei, kā rezultātā 10 V pp diferenciālais signāls ADC ieejām līdz maksimāli palielināt tā dinamisko diapazonu. Ieejas pastiprinātājs tiek darbināts ar diviem ± 15 V barošanas avotiem, savukārt FDA baro no +5 V/–1 V, bet ADC-no 5 V barošanas avota. Atgriezeniskās saites rezistoru (RF1 = RF2) attiecība pret pastiprinājuma rezistoriem (RG1 = RG2) nosaka FDA pastiprinājumu 0.5. FDA trokšņa pieaugums (NG) ir definēts šādi: kur β1 un β2 ir atgriezeniskās saites faktori: Skaitlis 2. Tipiskas datu ieguves signālu ķēdes vienkāršota shēma. Šajā sadaļā tiks parādīts, kā ķēdes nelīdzsvarotība (tas ir, β1 ≠ β2) vai neatbilstība atgriezeniskās saites un pastiprināšanas rezistoros (RG1, RG2, RF1, RF2) ap FDA ietekmē galvenās specifikācijas, piemēram, SNR, izkropļojumus, linearitāti, pastiprinājuma kļūdu, novirzi un ievadiet kopējā režīma noraidīšanas koeficientu. FDA diferenciālais izejas spriegums ir atkarīgs no VOCM, tādēļ, ja atgriezeniskās saites faktori β1 un β2 nav vienādi, jebkura nelīdzsvarotība izvades amplitūdā vai fāzē rada nevēlamu kopējā režīma komponentu izejā, ko pastiprina trokšņa pieaugums un izraisa lieks troksnis un kompensācija FDA diferenciālajā produkcijā. Tāpēc ir obligāti, lai pastiprinājuma/atgriezeniskās saites rezistoru attiecība labi sakristu. Citiem vārdiem sakot, ievades avota pretestības un RG2 (RG1) kombinācijai jāatbilst (tas ir, β1 = β2), lai izvairītos no signāla izkropļojumiem, katra izejas signāla kopējā režīma sprieguma neatbilstības un novērstu kopējo režīma troksnis, ko rada FDA. Viens no veidiem, kā līdzsvarot diferenciālo nobīdi un izvairīties no izejas izkropļojumiem, ir pievienot ārēju rezistoru virknē ar pastiprinājuma rezistoru (RG1). Ne tikai to, ka pastiprinājuma kļūdu novirzi ietekmē arī tāda rezistora veida izvēle kā plāna plēve, zemas temperatūras koeficienta rezistors, savukārt atbilstošu rezistoru iegūšana ir sarežģīta izmaksu un dēļa vietas ierobežojumu dēļ. Turklāt nepāra, bipolāru izejmateriālu ģenerēšana daudziem dizaineriem ir neērta, jo to PCB ir papildu izmaksas un nekustamā īpašuma ierobežojumi. Dizaineriem arī rūpīgi jāizvēlas optimālie pasīvie komponenti, ieskaitot RC zemas caurlaidības filtru (kas novietots starp ADC draivera izeju un ADCinputs), kā arī atdalīšanas kondensators secīgajam tuvināšanas reģistra (SAR) ADC dinamiskajam atskaites mezglam. RC filtrs palīdz ierobežot ADC ieejas troksni un samazina atsitienu ietekmi, ko rada SAR ADC kapacitatīvā DAC ieeja. Lai pastiprinātājs būtu stabils un ierobežotu tā izejas strāvu, jāizvēlas C0G vai NP0 tipa kondensatori un saprātīga sērijas pretestības vērtība. Visbeidzot, PCB izkārtojums ir ārkārtīgi svarīgs, lai saglabātu signāla integritāti un sasniegtu paredzēto signāla ķēdes veiktspēju. Klienta dizaina ceļojuma atvieglošana Daudzi sistēmas dizaineri vienādām lietojumprogrammām galu galā ievieš atšķirīgu signālu ķēdes arhitektūru. Tomēr viens izmērs nav piemērots visiem, tāpēc Analog Devices, Inc. (ADI) ir koncentrējies uz kopīgām signālu ķēdes sadaļām, signālu kondicionēšanu un digitalizāciju, nodrošinot pilnīgākus signālu ķēdes μModule® risinājumus ar uzlabotu veiktspēju, kas novērš plaisu starp standarta diskrētajiem komponentiem un augsti integrētiem klientiem specifiskiem IC, lai atrisinātu galvenos sāpju punktus. ADAQ4003 ir SiP risinājums, kas nodrošina vislabāko līdzsvaru starp pētniecības un attīstības izmaksām un formas koeficienta samazināšanu, vienlaikus paātrinot laiku līdz prototipiem. ADAQ4003 μModule precizitātes datu ieguves risinājums ietver vairākus kopējus signālu apstrādes un kondicionēšanas blokus, kā arī kritiskus pasīvos komponentus, kas izvietoti vienā ierīcē, izmantojot ADI progresīvo SiP tehnoloģiju (sk. 5. attēlu). ADAQ4003 ietver zemu troksni, FDA, stabilu atsauces buferi un augstas izšķirtspējas 18 bitu 2 MSPS SAR ADC. ADAQ4003 vienkāršo signālu ķēdes dizainu un precīzas mērīšanas sistēmas izstrādes ciklu, nododot komponentu izvēli, optimizāciju un izkārtojumu no dizainera uz pašu ierīci, un atrisina visus galvenos jautājumus, kas apskatīti iepriekšējā sadaļā. Precīzais rezistoru bloks ap FDA ir veidots, izmantojot ADI patentēto iPassives® tehnoloģiju, kas rūpējas par ķēdes nelīdzsvarotību, samazina parazītus, palīdz sasniegt izcilu pastiprinājuma atbilstību līdz 0.005%, un tai ir optimāla dreifēšanas veiktspēja (1 ppm/° C). IPassives tehnoloģija piedāvā arī lieluma priekšrocības salīdzinājumā ar diskrētiem pasīviem, kas samazina no temperatūras atkarīgu kļūdu avotus un samazina sistēmas līmeņa kalibrēšanas slogu. Ātrā nosēdināšana un plašais kopējā režīma ievades diapazons FDA, kā arī precīza veiktspēja konfigurējamām pastiprinājuma opcijām (0.45, 0.52, 0.9, 1 vai 1.9) ļauj pielāgot pastiprinājumu vai vājinājumu, kā arī pilnībā diferencētus vai vienpusējus. līdz diferenciālam. ADAQ4003 ietver viena polu RC filtru starp ADC draiveri un ADC, kas ir izstrādāts, lai maksimāli palielinātu nostādināšanas laiku un ieejas signāla joslas platumu. Ir iekļauti arī visi nepieciešamie sprieguma atskaites mezgla atvienošanas kondensatori un barošanas avoti, lai vienkāršotu materiālu sarakstu (BOM). ADAQ4003 ir arī atsauces buferis, kas konfigurēts vienotības palielinājumā, lai optimāli virzītu SAR ADC atsauces mezgla un atbilstošā atsaistīšanas kondensatora dinamisko ieejas pretestību. 10 μF uz REF tapas ir būtiska prasība, lai palīdzētu papildināt iekšējā kapacitatīvā DAC lādiņu bitu lēmumu pieņemšanas procesā, un tas ir būtiski, lai sasniegtu maksimālo konversijas veiktspēju. Iekļaujot atsauces buferi, lietotājs var ieviest daudz mazāku enerģijas atskaites avotu nekā daudzas tradicionālās SAR ADC balstītas signālu ķēdes, jo atsauces avots vada augstas pretestības mezglu, nevis SAR kondensatoru masīva dinamisko slodzi. Lietotājam ir iespēja izvēlēties atsauces bufera ieejas spriegumu, kas atbilst vēlamajam analogās ievades diapazonam. 3. attēls. ADAQ4003 μModule ierīces izmēru salīdzinājums ar diskrētu signālu ķēdes risinājumu. Drukātās shēmas plates izkārtojums ir būtisks, lai saglabātu signāla integritāti un sasniegtu paredzēto signāla ķēdes veiktspēju. ADAQ4003 pinout atvieglo izkārtojumu un ļauj tā analogos signālus kreisajā pusē un digitālos signālus labajā pusē. Citiem vārdiem sakot, tas ļauj dizaineriem paturēt jutīgās analogās un digitālās sadaļas atsevišķi un aprobežoties tikai ar noteiktām plāksnes zonām un izvairīties no ciparu un analogo signālu krustošanās, lai mazinātu izstarojošo troksni. ADAQ4003 ietver visus nepieciešamos (zema ekvivalenta sērijas pretestība (ESR) un zema ekvivalenta sērijas induktivitāte (ESL)) atdalīšanas keramikas kondensatorus atskaites (REF) un barošanas avota (VS+, VS−, VDD un VIO) tapām. Šie kondensatori nodrošina zemas pretestības ceļu uz zemi augstās frekvencēs, lai apstrādātu pārejošas strāvas. Nav nepieciešami ārēji atvienošanas kondensatori, un, ja nav šo kondensatoru, nav zināma ietekme uz veiktspēju vai EMI problēma. Šī veiktspējas ietekme tika pārbaudīta ADAQ4003 novērtēšanas panelī, noņemot ārējos atvienojošos kondensatorus atskaites un LDO regulatoru izejā, kas rada borta sliedes (REF, VS+, VS−, VDD un VIO). 4. attēlā redzams, ka visi stimuli trokšņa slānī ir aprakti zem -120 dB neatkarīgi no tā, vai tiek izmantoti vai noņemti ārējie atvienošanas kondensatori. ADAQ4003 mazais formas faktors nodrošina augsta kanāla blīvuma PCB izkārtojumu, vienlaikus samazinot termiskās problēmas. Tomēr izšķiroša nozīme ir atsevišķu komponentu izvietošanai un dažādu signālu maršrutēšanai uz PCB. Ieejas un izejas signālu simetriska maršrutēšana, vienlaikus saglabājot barošanas ķēdi no analogā signāla ceļa atsevišķā barošanas slānī ar pēc iespējas lielāku izsekojamību, ir īpaši svarīga, lai nodrošinātu zemas pretestības ceļus un samazinātu traucējumu ietekmi uz barošanas avotu līnijas un izvairieties no EMI tipa problēmas. 4. attēls. ADAQ4003 FFT ar īssavienojumu, ar veiktspēju nemainīgu pirms un pēc ārējo atvienošanas kondensatoru noņemšanas dažādām sliedēm. Braukšana ar ADAQ4003, izmantojot augstas pretestības PGIA Kā minēts iepriekš, lai tieši izveidotu savienojumu ar dažāda veida sensoriem, parasti ir nepieciešami augstas ieejas pretestības priekšējie gali. Lielākajai daļai mērinstrumentu un programmējamo pastiprinājumu instrumentu pastiprinātāju (PGIA) ir vienpusējas izejas, kas nevar tieši vadīt pilnībā diferencētu datu iegūšanas signāla ķēdi. Tomēr LTC6373 PGIA piedāvā pilnīgi diferenciālu izeju, zemu troksni, zemus traucējumus un lielu joslas platumu, kas var tieši vadīt ADAQ4003, nezaudējot precizitāti, padarot to piemērotu daudzām signālu ķēdes lietojumprogrammām. LTC6373 ir līdzstrāvas savienots ar ieeju un izeju ar programmējamiem pastiprinājuma iestatījumiem (izmantojot A2, A1 un A0 tapas). 5. attēlā LTC6373 tiek izmantots diferenciālā ieejā diferenciālā izvades konfigurācijā un divkāršā pievadā ± 15 V. LTC6373 vajadzības gadījumā var izmantot arī vienpusējā ieejā diferenciālās izejas konfigurācijā. LTC6373 tieši vada ADAQ4003 ar pastiprinājumu, kas iestatīts kā 0.454. LTC6373 VOCM tapa ir savienota ar zemi, un tās izejas svārstās no -5.5 V līdz +5.5 V (fāzē pretēji). ADAQ4003 līmeņa FDA maina LTC6373 izejas, lai tās atbilstu vēlamajam ADAQ4003 ieejas kopējam režīmam, un nodrošina signāla amplitūdu, kas nepieciešama, lai izmantotu maksimālo 2 × VREF maksimālo un maksimālo ADC diferenciālo signālu diapazonu ADAQ4003 μModule ierīce. 6. un 7. attēlā parādīta SNR un THD veiktspēja, izmantojot dažādus LTC6373 pastiprinājuma iestatījumus, savukārt 8. attēlā parādīta INL/DNL veiktspēja ± 0.65 LSB/± 0.25 LSB ķēdes konfigurācijai, kas parādīta 5. attēlā. 5. attēls. LTC6373, kas vada ADAQ4003 (pastiprinājums = 0.454, 2 MSPS). 6. attēls. SNR salīdzinājumā ar LTC6373 pastiprinājuma iestatījumu, LTC6373 vadot ADAQ4003 (pastiprinājums = 0.454, 2 MSPS). 7. attēls. THD salīdzinājumā ar LTC6373 pastiprinājuma iestatījumu, LTC6373 vadot ADAQ4003 (pastiprinājums = 0.454, 2 MSPS). 8. attēls. INL/DNL veiktspēja, LTC6373 (pastiprinājums = 1) vada ADAQ4003 (pastiprinājums = 0.454). ADAQ4003 μModule Lietojumprogrammas lietošanas gadījums: ATE Šajā sadaļā uzmanība tiks pievērsta tam, kā ADAQ4003 ir lieliski piemērots avota mērvienībām (SMU) un ierīces barošanas avotiem (DPS) ATE. Šos modulāros instrumentus izmanto, lai pārbaudītu visdažādākos mikroshēmu veidus strauji augošajiem viedtālruņu, 5G, automobiļu un IoT tirgiem. Šiem precīziem instrumentiem ir izlietne/avota iespēja, kurai nepieciešama kontroles cilpa katram kanālam, kas rūpējas par ieprogrammēto sprieguma un strāvas regulēšanu, un tie prasa augstu precizitāti (īpaši smalku linearitāti), ātrumu, plašu dinamisko diapazonu (lai izmērītu μA/ μV signāla līmeņi), monotoni un nelielu formas koeficientu, lai paralēli pielāgotos palielinātajam kanālu skaitam. ADAQ4003 piedāvā izcilu precizitāti, samazina gala sistēmas sastāvdaļu skaitu un ļauj uzlabot kanālu blīvumu, ierobežojot plates platību, vienlaikus samazinot to kalibrēšanas slogu un siltuma problēmas šāda veida līdzstrāvas mērīšanas mērogojamiem testa instrumentiem. ADAQ4003 augstā precizitāte apvienojumā ar ātru paraugu ņemšanas ātrumu samazina troksni, un bez kavēšanās tas ir ideāli piemērots vadības cilpas lietojumiem, lai nodrošinātu optimālu soļu reakciju un ātru nosēšanos, lai uzlabotu testa efektivitāti. ADAQ4003 palīdz atvieglot konstrukcijas slogu, novēršot buferus atskaites sprieguma sadalīšanai instrumentos to pašu novirzes dēļ un dēļi dēļā. Turklāt dreifēšanas veiktspēja un novecošanās nosaka testa instrumenta precizitāti, tāpēc deterministiskā ADAQ4003 novirze samazina pārkalibrēšanas izmaksas un instrumenta dīkstāves laiku. ADAQ4003 atbilst šīm prasībām, palielina instrumentu spēju izmērīt zemākus sprieguma un strāvas diapazonus un palīdz tiem optimizēt vadības cilpu dažādiem slodzes apstākļiem, kas tieši nozīmē darbības specifikāciju, pārbaudes efektivitātes, caurlaides un izmaksu uzlabošanos. instrumentiem. Šo instrumentu lielā testa caurlaidspēja un īsāks pārbaudes laiks tiešā veidā nozīmē zemākas testa izmaksas gala lietotājiem. SMU augsta līmeņa blokshēma ir parādīta 9. attēlā, un tai atbilstošā signālu ķēde ir parādīta 5. attēlā. 9. attēls. Avota mērvienības vienkāršotā blokshēma. Augsts caurlaides ātrums ļauj pārmērīgi atlasīt ADAQ4003, lai sasniegtu zemāko vidējo kvadrātisko troksni un noteiktu plašas joslas platuma mazus amplitūdas signālus. Pārmērīga ADAQ4003 paraugu ņemšana ar koeficientu četri nodrošina vienu papildu izšķirtspējas bitu (tas ir iespējams tikai tāpēc, ka ADAQ4003 nodrošina pietiekamu linearitāti - sk. 8. attēlu) vai 6 dB dinamiskā diapazona palielinājumu - citiem vārdiem sakot, DR uzlabojums šīs pārmērīgās izlases dēļ. ir definēts kā: ΔDR = 10 × log10 (OSR) dB. ADAQ4003 tipiskais dinamiskais diapazons ir 100 dB pie 2 MSPS 5 V atsaucei ar ieejām, kas ir saīsinātas pret zemi. Tāpēc, ja ADAQ4003 tiek pārlasīts ar koeficientu 1024 × ar izvades datu pārraides ātrumu 1.953 kSPS, tas piedāvā nepārspējamu dinamisko diapazonu ~ 130 dB ar pastiprinājumu 0.454 un 0.9, kas var precīzi noteikt ļoti mazas amplitūdas μV signālus. 10. attēlā parādīts ADAQ4003 dinamiskais diapazons un SNR dažādiem pārmērīgiem paraugu ņemšanas ātrumiem un ieejas frekvencēm 1 kHz un 10 kHz. 10. attēls. ADAQ4003 dinamiskais diapazons ar SNR salīdzinājumā ar pārmērīgu paraugu ņemšanas ātrumu (OSR) dažādām ieejas frekvencēm. 11. attēls. Kopējo īpašumtiesību izmaksu samazināšana, izmantojot signālu ķēdes μModule tehnoloģiju. Secinājums Šajā rakstā ir izklāstīti daži galvenie aspekti un tehniskie izaicinājumi, kas saistīti ar precīzu datu iegūšanas sistēmu projektēšanu un kā Analog Devices izmanto savas domēna zināšanas lineārajos un pārveidotājos, lai izstrādātu ļoti diferencēto ADAQ4003 signālu ķēdes μModule risinājumu, lai atrisinātu dažas vissarežģītākās inženiertehniskās problēmas. ADAQ4003 atvieglo inženiertehnisko slogu, piemēram, komponentu izvēli un ražošanai gatavu prototipu izveidi, vienlaikus ļaujot sistēmas dizaineriem ātrāk piegādāt izcilus sistēmas risinājumus saviem galapatērētājiem. ADAQ4003 μModule ierīces izcilā precizitātes veiktspēja apvienojumā ar nelielu formas koeficientu rada lielāku vērtību plašam lietojumu klāstam, kas vērsts uz precīzu datu konvertēšanu tādām lietojumprogrammām kā dažādas automatizētas pārbaudes iekārtas (SMU, DPS), elektroniska pārbaude un mērīšana (pretestības mērīšana), veselības aprūpe (dzīvības pazīmju uzraudzība, diagnostika, attēlveidošana) un aviācija (aviācija), kā arī daži rūpnieciski lietojumi (mašīnu automatizācijas ievades/izvades moduļi). μModuļu risinājumi, piemēram, ADAQ4003, ievērojami samazina kopējās īpašumtiesību izmaksas sistēmas izstrādātājiem (kā parādīts 11. attēlā katrā no jomām) un samazina PCB montāžas izmaksas, palielina ražošanas atbalstu, uzlabojot daudzu partiju ražu, ļauj atkārtoti izmantot dizainu mērogojamām/modulārām platformām un vienkāršo kalibrēšanas slogu to gala lietojumā, vienlaikus paātrinot to TTM.

Atstāj ziņu 

Message saraksts